周元枝，張國(guó)政*，王軍

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控系，安徽蕪湖241002）

箱殼件多工序加工工藝規(guī)劃及夾具設(shè)計(jì)

周元枝，張國(guó)政*，王軍

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控系，安徽蕪湖241002）

面向多工序數(shù)控加工的工序集中要求，以工件特征加工面的工位判別方法，分析箱殼體工件的加工工藝。考慮到箱殼件加工工位較多，要完成的加工工序包括銑削平面、鉆孔、攻絲、鉸孔和鏜孔等。為解決工件一次裝夾完成多工位、多工序加工問題，設(shè)計(jì)一種能利用臥式數(shù)控加工中心機(jī)床功能的夾具。通過優(yōu)化夾具體結(jié)構(gòu)工藝性，采用氣動(dòng)快速夾緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效、高精度、可靠的裝夾。

多工序加工；箱殼件；夾具設(shè)計(jì)；快速裝夾

0　引言

現(xiàn)代數(shù)控加工正逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械加工模式，大規(guī)模定制、批量生產(chǎn)、單件定制多采用數(shù)控加工。為充分發(fā)揮現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的功能，尤其是性價(jià)比良好的中檔數(shù)控機(jī)床，在現(xiàn)代制造業(yè)中，特別是在箱殼體零部件多工序加工系統(tǒng)中，具有多面、多孔、復(fù)雜輪廓、型腔等特征的零部件會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，諸如汽車上各種閥體、殼體、支架等。為了解決各類復(fù)雜形狀的工件批量生產(chǎn)問題，若不考慮機(jī)床功能進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)，往往采用多臺(tái)加工中心、多種專用夾具、采用多次裝夾的加工方式完成這類工件的多工序數(shù)控加工，這種生產(chǎn)模式不僅降低了數(shù)控機(jī)床的柔性、降低了零部件加工效率，使得工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)備投入大，專用夾具的制造成本高，由于工件的多次定位裝夾也降低了工件裝夾精度，甚至影響工件加工精度造成加工廢品。為此，面向箱殼體類工件要解決多工序加工問題，一種途徑是采用高檔五軸聯(lián)動(dòng)以上數(shù)控機(jī)床，但該類型數(shù)控設(shè)備價(jià)格昂貴，不適宜批量生產(chǎn)規(guī)模，尤其是中小型制造企業(yè)，還有一種途徑即采取多件裝夾的夾具裝置以滿足中檔類型數(shù)控機(jī)床上批量加工需求［1］。后一種途徑是當(dāng)前數(shù)控多工序加工系統(tǒng)的主要解決方法，其中組合夾具是數(shù)控夾具的代名詞，關(guān)于組合夾具的設(shè)計(jì)拼裝是當(dāng)前研究熱點(diǎn)［2］，但組合夾具本身制造成本高，加之其計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段還處于研究階段，并沒有完全投入到商業(yè)化階段，而只僅僅應(yīng)用于高精密單件試制產(chǎn)品的裝夾。面對(duì)批量生產(chǎn)的箱殼體零部件多工序數(shù)控加工問題，提出工件特征加工面的工位判別方法，充分考慮臥式數(shù)控加工中心機(jī)床功能，設(shè)計(jì)一套快速裝夾的夾具，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床完成多工位、多工序加工要求，提高了生產(chǎn)效率，提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

1　工位的判別

1.1特征加工面

特征加工面是工件實(shí)體上需要完成加工的表面，所謂需要加工的表面即工件實(shí)體上具有表面粗糙度、尺寸精度或形狀、位置精度等某一或某幾個(gè)要求的表面。這些加工表面由于形狀不同，根據(jù)加工表面形狀特征可將其進(jìn)行分類，主要分為平面、外圓面、內(nèi)圓面和其他類型表面，如圖1所示。每個(gè)加工特征面是能夠確定相應(yīng)的刀具類型，它們?cè)诠ぜ?shí)體上的方位確定了加工表面的位置，每個(gè)位置代表著工件該特征加工面的工位，進(jìn)而確定刀具是從何方向進(jìn)給切削工件表面。

圖1　特征加工面的分類

1.2特征加工面工位判別

加工工位的判別在文獻(xiàn)［3］中有較為系統(tǒng)的判別，由于任何一個(gè)加工特征面都具有確定的方位，用該表面的單位法矢量可以表達(dá)，同時(shí)規(guī)定其向外的方向?yàn)檎较?，向?nèi)的方向?yàn)樨?fù)方向即進(jìn)刀方向。文獻(xiàn)［3］中用特征加工面外法矢量點(diǎn)積的方法來判別各表面之間的方位，該方法用以判斷工件各特征面主方向是否一致，以此判定工件特征加工面的工位，其判別公式為：

式（1）中，i、i+1分別表示工件上第i和第i+1個(gè)特征面。

在式（1）中，Or的數(shù)值區(qū)間為［-1，1］，其中Or=1表示工件上第i和第i+1個(gè)特征面主方向相同，即為同一個(gè)工位，記為工位PⅠ，相應(yīng)的繼續(xù)判別其他特征加工面可記為PⅡ、PⅢ等。若Or=-1表示工件上第i和第i+1個(gè)特征面主方向相反，則表示特征加工面之間方位剛好相反；若Or=0則表示第i和第i+1個(gè)特征加工面主方向相互垂直正交。若Or=（-1，0）∪（0，1），即為各特征加工面之間主方向在（-90°，0）∪（0，90°）的區(qū)間范圍內(nèi)。為此，工件的加工工位可用下列式（2）來表示：

其中PNum表示工位號(hào)，通過Or=1的數(shù)值來確定判別特征面是否為同一個(gè)工位。

2　箱殼體加工工藝規(guī)劃

2.1工位分析

工件的加工工位確定是制定出合理工藝方案的重要依據(jù)，面向現(xiàn)代數(shù)控加工，在同一工位的加工表面是可以通過一次裝夾在機(jī)床上完成加工。根據(jù)特征加工面工位判別分析，規(guī)定工件加工表面的單位法矢量的正方向是垂直于加工表面向外為正，反之為負(fù)；回轉(zhuǎn)加工表面其法矢量為其回轉(zhuǎn)中心，其正方向?yàn)榈毒哌h(yuǎn)離工件的方向；外圓回轉(zhuǎn)面若為同軸階梯回轉(zhuǎn)面則正方向指向小軸徑方向；內(nèi)圓同軸階梯加工面的正方向指向大孔軸徑方向；曲面等法向量正方向是刀具遠(yuǎn)離工件的方向。

圖2所示為某車輛上箱殼體零件，根據(jù)零件圖紙要求［4］，該零件具有27處特征加工面，分別以f1至f27表示，根據(jù)文獻(xiàn)［5，6］的原理，并結(jié)合式（2），該零件的加工工位確定如下：

P1=｛f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7，f8｝；

P2=｛f9，f10｝；

P3=｛f11，f12，f13，f14，f15，f16｝；

P4=｛f17，f18，f19，f20，f21，f22｝；

P5=｛f23，f24，f25，f26，f27｝。

由此可見，工件共有五個(gè)加工工位，各工位之間加工方向相互垂直或相反。

圖2　某車輛上箱殼體零件特征加工面

2.2工序安排

根據(jù)箱殼體零件工位分析，若按照該件工位劃分為五道工序，為滿足數(shù)控加工工序集中要求，但在實(shí)際執(zhí)行加工工序時(shí)發(fā)現(xiàn)，要充分考慮所選擇設(shè)備的制造能力，按照工位劃分工序就可能不滿足工件一次裝夾完成盡可能多的表面加工。為了保證工件數(shù)控加工工序集中，且能根據(jù)特征面單位法矢量判別工位的方法，所考慮的制造能力可用以下數(shù)據(jù)表達(dá)式（3）定義，進(jìn)而制定合理的數(shù)控加工工藝［5］。

MT表示所選擇的數(shù)控機(jī)床制造能力，MT=｛MT1，MT2，…，MTi，…｝，其中MTi表示第i臺(tái)數(shù)控機(jī)床制造能力，｛X，Y，Z，A，B，C，…｝；同理Tool表示刀具的切削能力；Tol表示工件加工精度要求；Fgeo_type表示工件特征加工面的幾何特征；nf表示特征面外單位法矢量；PNum表示工位號(hào)；FC表示夾具裝夾能力。根據(jù)式（3）中的邏輯關(guān)系，可以得出如表1所示的各特征面加工關(guān)系，以機(jī)床制造能力和夾具裝夾能力進(jìn)一步對(duì)工件工序規(guī)劃，可得出工序最為集中的數(shù)控加工工藝方案，如表2所示。

表1　工件各特征面加工關(guān)系表

表2　輪輞工件數(shù)控加工工序安排表

在表2中，若采用帶有B軸功能回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的臥式加工中心，工件的加工工藝方案可由兩道工序組成，極大地提高了工件加工工序集中能力，使得工件在一次裝夾過程中完成多工序加工要求，減小了工件多次裝夾誤差，保證工件加工精度，提高工件加工效率。

3　夾具設(shè)計(jì)

3.1夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［4］提出的多工位夾具設(shè)計(jì)方案，但所設(shè)計(jì)的夾具的夾具體結(jié)構(gòu)工藝性較差，定位裝置設(shè)計(jì)不夠合理完善，夾緊裝置采用手動(dòng)夾緊方式，夾緊效率低，且工件裝卸較為不便，無法滿足高質(zhì)量及高效裝夾要求。為充分利用臥式數(shù)控加工中心機(jī)床的功能，本文優(yōu)化了夾具體結(jié)構(gòu)工藝性，采用氣動(dòng)快速夾緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效、高精度、可靠的裝夾工件。

本文所設(shè)計(jì)的夾具結(jié)構(gòu)包括有夾具體、定位裝置和快速夾緊裝置三大部分，夾具體采用常見灰鑄鐵材料鑄造毛坯加工成U型結(jié)構(gòu)，其底面結(jié)構(gòu)有個(gè)凹槽，其底面兩端面精加工后與數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)安裝接觸，保證夾具體可準(zhǔn)確平穩(wěn)地安裝在機(jī)床工作臺(tái)上。夾具體底面對(duì)稱中心處有一高精度通孔，所設(shè)計(jì)的通孔與數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心在安裝夾具時(shí)起到定位；該夾具體底面一端中心部位安裝定向鍵，定向鍵與數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的T型槽配合，進(jìn)而與所述的夾具體上通孔組合確保所述的一種多工位數(shù)控夾具在數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的位置準(zhǔn)確。該夾具的定位裝置是由4個(gè)B型支撐板標(biāo)準(zhǔn)定位元件和一個(gè)短圓柱銷及一個(gè)短菱形銷組成的“一面兩孔”典型定位方案，從而實(shí)現(xiàn)工件6個(gè)自由度的限制。4個(gè)B型標(biāo)準(zhǔn)支撐板定位元件分別安裝在夾具體的U型結(jié)構(gòu)上，其上短圓柱銷與短菱形銷分別安裝在夾具體的U型結(jié)構(gòu)兩邊，且短菱形銷的放置與工件回轉(zhuǎn)中心角度對(duì)應(yīng)，起到防止工件旋轉(zhuǎn)自由度作用。該夾具的快速夾具裝置是由3個(gè)90°旋轉(zhuǎn)快速夾緊氣缸組成，其中2個(gè)是右旋90°標(biāo)準(zhǔn)夾緊氣缸，一個(gè)是左旋90°標(biāo)準(zhǔn)夾緊氣缸；所述的3個(gè)90°旋轉(zhuǎn)快速夾緊氣缸的夾緊壓板頭部用沉頭螺釘按照軟質(zhì)橡膠墊。當(dāng)夾具在數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的位置準(zhǔn)確后，用4個(gè)螺旋壓板對(duì)稱壓緊所述的一種多工位數(shù)控夾具，使得所述的一種多工位數(shù)控夾具緊固在數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上。夾具在臥式加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上安裝后，經(jīng)臥式加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)可使夾具裝夾工件實(shí)現(xiàn)4個(gè)工位的多道工序加工，具體如圖3所示。

該夾具的主要優(yōu)點(diǎn)是夾具體結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單新穎，便于實(shí)際生產(chǎn)制造，所述的定位裝置的各元件都是標(biāo)準(zhǔn)定位元件，無須專門制造生產(chǎn)，所述的快速夾緊氣缸都是90°旋轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)夾緊氣缸，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)工位的加工，工件裝卸操作方便、實(shí)用，可做到快速定位、快速裝夾、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

3.2夾具應(yīng)用

相比文獻(xiàn)［4］所設(shè)計(jì)夾具結(jié)構(gòu)，夾具體中心定位通孔2-1形式，夾具安裝時(shí)可迅速、準(zhǔn)確完成；夾緊裝置采用90°標(biāo)準(zhǔn)夾緊氣缸，實(shí)現(xiàn)快速夾緊，代替了手動(dòng)螺旋壓板形式。夾具定位采用一面兩銷方式，其中短菱形銷6的位置如圖4所示，從而保證定位準(zhǔn)確性。

圖3　一種多工位臥式加工中心夾具

圖4　工件一面兩銷方式圖

采用90°標(biāo)準(zhǔn)夾緊氣缸實(shí)現(xiàn)工件快速夾緊時(shí)間為1～2 s，而手動(dòng)夾緊方式實(shí)現(xiàn)完全夾緊時(shí)間為7～12 s；松懈時(shí)間夾緊氣缸完成動(dòng)作在1～1.5 s，手動(dòng)松懈工件時(shí)間為6～10 s。整個(gè)工作裝夾效率提高了5～6倍，大幅度提高了生產(chǎn)效率。工件被裝夾后如圖5所示，其中圖5-a為正面示意圖，圖5-b為反面示意圖。

圖5　工件裝夾圖

4　結(jié)語

面向批量生產(chǎn)模式的數(shù)控加工，為充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的工序集中能力，通過建立工件特征加工面的單位法矢量判別方法，利用其簡(jiǎn)單的矢量點(diǎn)積方法，分析箱殼體零件的工位，基于數(shù)控機(jī)床制造能力，設(shè)計(jì)一種能適應(yīng)臥式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的數(shù)控加工中心夾具，進(jìn)而將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的五個(gè)工序整合為兩道工序。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)快速裝夾能力，采用90°標(biāo)準(zhǔn)夾緊氣缸裝置，極大地提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)對(duì)夾具體結(jié)構(gòu)工藝、定位方式進(jìn)一步優(yōu)化，使得夾具更加滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

［1］張國(guó)政，楊?；?，劉順.基于工序集中要求的加工中心夾具設(shè)計(jì)研究［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（3）：18-132.

［2］歐彥江，殷國(guó)富，周長(zhǎng)春.基于實(shí)例推理的組合夾具自動(dòng)拼裝技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011（11）：2426-2431.

［3］張國(guó)政，韓江.多工序加工系統(tǒng)的數(shù)控夾具設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2012（11）：94-98.

［4］喻步賢，鐘毅，朱守干.分動(dòng)箱殼數(shù)控銑削工藝及多工位夾具設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015（10）：134-137.

［5］G.Z.ZHANG，Y.Z.ZHOU.The Design of Turn-mill Process Planning For Mass Customization Wheel rim［J］.Key Engineering Materials，2015，670（1）:164-169.

［6］張國(guó)政，周元枝.基于工序集中要求的輪輞車銑復(fù)合夾具設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2015，43（20）：55-58.

Multi-stage Machining Process Planning and the Fixture Design

ZHOU Yuan-zhi，ZHANG Guo-zheng*，WANG Jun
（Department of Numerical Control，Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhu，Anhui 241002，China）

Based on the integrated procedure requirement for multi-stage CNC machining，the present thesis purports to analyze the machining process for case shells through position distinguishing method for machining surface of case shells.Given that there are quite many case shell machining positions，the machining process includes broaching，drilling，tapping，reaming and boring.To accomplish the multi-station and multi-stage machining in one clamping，a fixture that can utilize the function of the horizontal NC machining center machine is designed.By optimizing the specific structure of the fixture，pneumatic quick clamping mechanism is adopted to realize high efficiency，high precision and reliability.

multi-stage machining；case shell；fixture design；quick clamping

TG659

A

1673-1891（2016）03-0007-04

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.03.003

2016-06-12

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“多工序制造系統(tǒng)的多件裝夾可轉(zhuǎn)位自適應(yīng)數(shù)控夾具開發(fā)與研究”（KJ2014A036）；“面向多工序加工系統(tǒng)的自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃方法及其應(yīng)用研究”（KJ2015A383）；安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年教師發(fā)展支持計(jì)劃自然科學(xué)研究項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)輔助夾具定位誤差校驗(yàn)系統(tǒng)的研究”（2015yjzr023）。

周元枝（1968—），男，安徽廬江人，碩士，副教授，研究方向：數(shù)控加工技術(shù)。*為通信作者。